實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的USB端口連接的下載線設(shè)計(jì)

1 引言

隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，支持ISP 或IAP 的單片機(jī)芯片日益增加，這類單片機(jī)芯片的程序下載采用了下載線的方式。這種串行程序下載方式所用的電平為TTL 電平，對(duì)單片機(jī)接口來說非常安全。單片機(jī)生產(chǎn)廠商推薦使用ISP 程序下載方式，如AT89S5X 芯片支持ISP 功能，并用AT89S5X 芯片取代了AT89C5X 芯片。

另一方面，單片機(jī)的程序的寫入也從使用燒寫器寫入演化為使用下載線從計(jì)算機(jī)中將程序直接寫入。下載線就是將計(jì)算機(jī)中的單片機(jī)程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)芯片的連接線。下載線與計(jì)算機(jī)的連接接口可分為串口下載線、并口下載線和USB 接口的下載線。這種串行程序下載方式所用的電平為TTL 電平，對(duì)單片機(jī)接口和單片機(jī)芯片來說更加安全。同時(shí)，采用下載線的程序?qū)懭敕绞讲恍枰看螌纹瑱C(jī)從應(yīng)用電路中取下，既節(jié)省了時(shí)間，又完全可靠。

從計(jì)算機(jī)角度來看，今天計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異，計(jì)算機(jī)的外部接口也在不斷的改變，其中主要作為計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的外部接口有串行接口、并行接口和USB（Universal SerialBus, USB）接口。而通用串行總線（USB）具有高速、使用靈活方便等特點(diǎn)，成為了計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，并在計(jì)算機(jī)外部接口不斷增多的趨勢(shì)。為了適應(yīng)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展，采用USB 接口的下載線是勢(shì)在必行。

但是，不同的單片機(jī)有不同的下載線，一般來說，對(duì)應(yīng)有不同的下載軟件和硬件驅(qū)動(dòng)程序。這些軟件和程序隨著功能的完善和操作等原因還有不同的版本。這造成下載線的使用者需要不斷的更新軟件，也讓使用者在更換單片機(jī)時(shí)不僅更換下載線，還要熟悉新的下載軟件。為此，如果能設(shè)計(jì)一種不需要下載軟件的下載線或統(tǒng)一操作的下載軟件，則能大大提高單片機(jī)程序下載的操作效率。研究和開發(fā)一種通用而不需下載軟件的USB 接口的單片機(jī)的下載線更為必要。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

為了能夠使用和兼容傳統(tǒng)的下載線，一種方式是在計(jì)算機(jī)中連接一個(gè)USB 轉(zhuǎn)并口（或串口）的連接線，然后再連接一根傳統(tǒng)的下載線。在市場(chǎng)上，很多USB 轉(zhuǎn)并口的線是給打印機(jī)專用的，它并不是一個(gè)模擬并口，而是模擬了一個(gè)USB 打印機(jī)，是不能用來連接并口下載線進(jìn)行程序下載的。USB 轉(zhuǎn)串口則不一樣，因?yàn)樗钦嬲脑?a target="_blank">電腦上模擬了一個(gè)串口，一般的編程軟件都可以對(duì)這個(gè)串口進(jìn)行讀寫操作。

另一種方式是單獨(dú)開發(fā)的USB 編程器，其功能包含了USB 接口和下載線（也有一部分還帶有編程器等功能），一些USB 編程器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)USB 轉(zhuǎn)串口的芯片轉(zhuǎn)成串口后再接后續(xù)編程電路，這樣的方式與單獨(dú)的USB 轉(zhuǎn)串口加下載線的原理和連接是相同的。

不管是哪一種下載線，都需要對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和下載程序，當(dāng)然，這些下載線也支持在線仿真等功能。

為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)中不需要安裝下載線驅(qū)動(dòng)程序，在對(duì)下載線控制系統(tǒng)調(diào)試完成后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就可使用系統(tǒng)中自有的USB 驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)程序?qū)ο螺d線進(jìn)行讀寫，這樣既能保證了在所有計(jì)算機(jī)上都可以通用，又實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)中不需要專用的下載程序，只需要如磁盤操作一樣進(jìn)行復(fù)制、粘貼或其他文件復(fù)制操作即可將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)。

2.2 選用接口器件

在考慮了若干USB 接口芯片后，選用Philips 公司的PDIUSBD12 作為系統(tǒng)的USB 接口芯片，該芯片僅是一塊USB轉(zhuǎn)并行接口的系統(tǒng)芯片，所有的應(yīng)答數(shù)據(jù)都由單片機(jī)提供，能夠滿足設(shè)計(jì)需要。

PDIUSBD12 是一款性價(jià)比很高的USB 器件，完全符合USB1.1 版的規(guī)范，PDIUSBD12 通常用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口。PDIUSBD12 引腳功能如圖1 所示。

圖1 PDIUSBD12 引腳圖

2.3 PDIUSBD12 與單片機(jī)連接

在Philips 的PDIUSBD12 文檔中，發(fā)布了一個(gè)與80C51的典型應(yīng)用電路，如圖2 所示。

在圖2 中，ALE 接為低電平，表示一個(gè)獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)總線配置。PDIUSBD12 的A0 腳與80C51 的任意一個(gè)I/O 口相連。該端口控制PDIUSBD12 的命令和數(shù)據(jù)狀態(tài)。80C51 的多位地址和數(shù)據(jù)總線可直接與PDIUSBD12 的數(shù)據(jù)總線相連。

80C51 的頻率輸入可由PDIUSBD12 的CLKOUT 提供。

2.4 下載線接口電路

下載線的電路由三個(gè)部分組成，分別是單片機(jī)控制部分、USB 接口處理電路和下載線接口電路。

其中USB 接口處理電路是采用D12 芯片與系統(tǒng)控制單片機(jī)芯片的連接方式采用了模擬總線的方式進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)端口連接到單片機(jī)的P0 端口，并在P0 端口上接了一個(gè)上拉排阻實(shí)現(xiàn)了端口輸出高電平。將D12 的讀寫控制分別接到P3.6 和P3.7 引腳，地址端A0 接到P1.1 引腳上。其時(shí)鐘信號(hào)從CLKOUT 輸出，連接到單片機(jī)AT89S52 的XTAL1 上，作為單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)，電路如圖3 所示。

下載線接口采用P2 的部分引腳進(jìn)行控制，分別是P2.0接OE 端控制輸出端口是否有效，P2.1 接SCLK、P2.3 接MOSI、P2.5 接MISO 構(gòu)成模擬SPI 接口，P2.7 控制目標(biāo)芯片的RESET 引腳使其進(jìn)入串行下載模式。另外，保留了P30 和P31 作為異步串行通信端口，作為系統(tǒng)調(diào)試端口，P15、P16、P17 和RESET 與VCC、GND 連接到系統(tǒng)控制芯片的程序下載接口。

為了保證在沒有寫程序時(shí)不影響單片機(jī)的工作，所有與單片機(jī)連接的下載線接口都應(yīng)保持高阻狀態(tài)，在需要編程時(shí)又能夠?qū)?duì)應(yīng)的電平影響單片機(jī)引腳，所以在設(shè)計(jì)中，參考了原altera 并口下載線的接口電路，采用三態(tài)的總線驅(qū)動(dòng)芯片74HC244 作為下載線接口驅(qū)動(dòng)電路。具體的接口電路如圖4 所示。

圖4 下載線接口電路。

下載線接口從1 腳至6 腳，依次是：地、復(fù)位、MOSI、MISO、SCK、VCC。

3 PCB 設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)試端口

考慮到在具體調(diào)試時(shí)，下載線采用了串口作為調(diào)試端口，將從USB 端口接收到的數(shù)據(jù)通過串口線重新發(fā)回計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中使用串口調(diào)試助手顯示內(nèi)容。故將其振蕩脈沖由外部D12 送過來的信號(hào)改為由單片機(jī)外接11.0592MHz 晶振與振蕩電容產(chǎn)生的頻率，以滿足硬件調(diào)試需要。

3.2 PCB 制作

在完成了電路原理圖的情況下，根據(jù)下載線電路原理圖設(shè)計(jì)了PCB 電路圖，如圖5 所示。圖5 是一雙面的PCB,圖5（a）頂層線路，圖5（b）底層線路。

圖5（a） 頂層線路

圖5（b） 底層線路

在完成軟件設(shè)計(jì)后，用此下載線將單片機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，很好的實(shí)現(xiàn)了程序下載。

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的下載線能夠?qū)崿F(xiàn)與計(jì)算機(jī)的USB 端口連接，通過在單片機(jī)向計(jì)算機(jī)聲明為程序下載設(shè)備，成為計(jì)算機(jī)的一個(gè)常規(guī)設(shè)備，通過安裝對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序后，下載線的硬件就能夠正常工作。

同時(shí)，對(duì)目標(biāo)單片機(jī)來說，采用了74HC244 作為驅(qū)動(dòng)器件，符合常規(guī)單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。在單片機(jī)中只要按照目標(biāo)單片機(jī)的下載時(shí)序，編寫對(duì)應(yīng)的單片機(jī)下載程序，即可將從計(jì)算機(jī)來的代碼轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的程序下載。